基于ZigBee的嵌入式网关设计方案
引言
物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。
随着物联网技术的发展，基于zigbee技术的无线传感器网络己经被广泛的应用到人们的生产及生活当中（如家庭自动化、智慧农业等）。如何将zigbee网络接入到互联网，是人们在应用zigbee技术组网时所面临的一个热点问题。
然而，zigbee协议与互联网中所使用的tcp/ip协议并不兼容，要想把zigbee网络接入到基于ip的互联网，就需要一个设备来完成两个异构网络间数据的转发。因此，提出了网关的概念，由网关来完成两个异构网络之间数据的转发。本文使用pxa270嵌入式平台和cc2430 zigbee模块，基于windows ce6.0嵌入式操作系统和z—stack协议栈，设计了一种嵌入式网关的解决方案。网关工作在两个异构的网络之间，连接着无线传感网络和互联网，其功能包括异构网络之间的数据转发和对zigbee网络的管理。
1 系统整体设计
网关整体设计如图1所示，其总体上包括cc2430zigbee模块、pxa270嵌入式平台、以太网口、电源模块和其他外设模块。
图1：网关整体设计
网关的软件设计基于windows ce6.0嵌入式操作系统和z—stack v1.4.3协议栈。windows ce6.0系统功能丰富、内核稳定，是高度模块化的系统，具有占先式多任务调度和强大的网络通讯能力。系统支持winsock网络编程接口，通过c/s socket通信模型实现网关和互联网客户端的命令和数据交互。z—stack v1.4.3协议栈是ti公司开发的完整支持zigbee 2006的协议栈，该协议栈提供了大量的编程接口函数，方便基于该协议栈进行开发设计。
设计中cc2430 zigbee模块通过串口与pxa270嵌入式平台连接。windows ce和z—stack协议栈都提供了对串口通信的支持，调用相应的串口api就可以实现对串口的读写等操作，这样也就方便了pxa270嵌入式平台和 cc2430 zigbee模块之间的串口通信程序的设计。
2 各模块软件的设计
2.1 zigbee协调器模块部分
zigbee网络由一个协调节点、多个路由节点和多个终端节点构成，设备类型通常在编译时通过编译选项决定（zdo coordinator and rtr nwk）。本设计中与pxa270嵌入式平台通过串口连接的cc2430模块作为整个zigbee网络的协调节点，其主要作用是：（1）数据收发。接收 zigbee网络上传的数据，解析并通过串口转发至pxa270平台；转发pxa270平台要发送到zigbee网络中的数据。（2）zigbee网络管理。包括网络信道和网络id的选取、网络的启动、节点的加入等。协调节点的程序流程图如图2所示。
图2：协调节点的程序流程图
协调节点与pxa270平台通信时，需用到z—stack提供的串口应用程序接口函数。其中，haluartinit（）用来在设备启动时初始化串口（如设置波特率为115200），haluartopen（）、haluart close（）用来打开和关闭串口，haluartread（）、haluartwrite（）用来完成对串口的读写。
2. 2 pxa270嵌入式平台部分
pxa270嵌入式平台作为网关的主要控制模块其功能包括：与zigbee协调节点通信，接收协调节点通过串口转发的数据或将控制命令发送到协调节点；通过基于tcp/ip的流式socket方式与ip网络通信，如上传数据、接收远程命令。pxa270平台的工作流程如图3所示。
图3：pxa270平台的工作流程
本设计中通过两个线程来分别完成上述两个方面的工作，分别是串口通信线程和socket通信线程，两个线程采用互斥机制实现对公共缓冲区的互斥访问。
3 测试结果
对设计方案进行zigbee组网测试和系统整体测试。在zigbee组网测试中，zigbee协议栈的参数配置为默认值（max depth=5，maxrouters=6，max children=20），地址分配方式选择分布式分配机制。将zigbee协调器通过串口直接与电脑的com1口相连，由zigbee协调器通过串口向电脑发送zigbee网络中的节点网络id，通过串口调试助手显示zigbee网络中的节点信息，其测试结果如图4所示。
图4：zigbee组网测试结果
在系统整体测试中，将zigbee协调器通过串口直接与pxa270嵌入式平台的串口相连，由zigbee协调器通过串口向pxa270嵌入式平台发送 zigbee网络中的节点网络id，pxa270嵌入式平台通过c/ssocket通信模型实现网关和互联网客户端的命令和数据交互，其测试结果如图5所示。
图5：系统整体测试结果
4 结论
针对如何把基于zigbee无线网络接入到基于tcp/ip的互联网的问题，本文提出一种基于windowsce嵌入式操作系统和 zigbee协议栈的嵌入式网关的设计方案，对网关的基本功能进行了实现。使zigbee网络采集到的数据能够通过网关转发到基于tcp/ip的网络，通过网关能够完成对zigbee网络的管理，达到了两个异构网络互联互通的目的，具有切合实际的应用价值。
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然而，zigbee协议与互联网中所使用的tcp/ip协议并不兼容，要想把zigbee网络接入到基于ip的互联网，就需要一个设备来完成两个异构网络间数据的转发。因此，提出了网关的概念，由网关来完成两个异构网络之间数据的转发。本文使用pxa270嵌入式平台和cc2430 zigbee模块，基于windows ce6.0嵌入式操作系统和z—stack协议栈，设计了一种嵌入式网关的解决方案。网关工作在两个异构的网络之间，连接着无线传感网络和互联网，其功能包括异构网络之间的数据转发和对zigbee网络的管理。
1 系统整体设计
网关整体设计如图1所示，其总体上包括cc2430zigbee模块、pxa270嵌入式平台、以太网口、电源模块和其他外设模块。
图1：网关整体设计
网关的软件设计基于windows ce6.0嵌入式操作系统和z—stack v1.4.3协议栈。windows ce6.0系统功能丰富、内核稳定，是高度模块化的系统，具有占先式多任务调度和强大的网络通讯能力。系统支持winsock网络编程接口，通过c/s socket通信模型实现网关和互联网客户端的命令和数据交互。z—stack v1.4.3协议栈是ti公司开发的完整支持zigbee 2006的协议栈，该协议栈提供了大量的编程接口函数，方便基于该协议栈进行开发设计。
设计中cc2430 zigbee模块通过串口与pxa270嵌入式平台连接。windows ce和z—stack协议栈都提供了对串口通信的支持，调用相应的串口api就可以实现对串口的读写等操作，这样也就方便了pxa270嵌入式平台和 cc2430 zigbee模块之间的串口通信程序的设计。
2 各模块软件的设计
2.1 zigbee协调器模块部分
zigbee网络由一个协调节点、多个路由节点和多个终端节点构成，设备类型通常在编译时通过编译选项决定（zdo coordinator and rtr nwk）。本设计中与pxa270嵌入式平台通过串口连接的cc2430模块作为整个zigbee网络的协调节点，其主要作用是：（1）数据收发。接收 zigbee网络上传的数据，解析并通过串口转发至pxa270平台；转发pxa270平台要发送到zigbee网络中的数据。（2）zigbee网络管理。包括网络信道和网络id的选取、网络的启动、节点的加入等。协调节点的程序流程图如图2所示。
图2：协调节点的程序流程图
协调节点与pxa270平台通信时，需用到z—stack提供的串口应用程序接口函数。其中，haluartinit（）用来在设备启动时初始化串口（如设置波特率为115200），haluartopen（）、haluart close（）用来打开和关闭串口，haluartread（）、haluartwrite（）用来完成对串口的读写。
2. 2 pxa270嵌入式平台部分
pxa270嵌入式平台作为网关的主要控制模块其功能包括：与zigbee协调节点通信，接收协调节点通过串口转发的数据或将控制命令发送到协调节点；通过基于tcp/ip的流式socket方式与ip网络通信，如上传数据、接收远程命令。pxa270平台的工作流程如图3所示。
图3：pxa270平台的工作流程
本设计中通过两个线程来分别完成上述两个方面的工作，分别是串口通信线程和socket通信线程，两个线程采用互斥机制实现对公共缓冲区的互斥访问。
3 测试结果
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图4：zigbee组网测试结果
在系统整体测试中，将zigbee协调器通过串口直接与pxa270嵌入式平台的串口相连，由zigbee协调器通过串口向pxa270嵌入式平台发送 zigbee网络中的节点网络id，pxa270嵌入式平台通过c/ssocket通信模型实现网关和互联网客户端的命令和数据交互，其测试结果如图5所示。
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